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研究人员发现细胞如何移动同时避免粘附

细胞速度或细胞移动的速度取决于表面在其下方的黏性,但这种关系的精确机制数十年来一直难以捉摸。现在,来自亥姆霍兹协会(MDC)的马克斯·德尔布吕克分子医学中心和慕尼黑的路德维希·马克西米利安斯大学(LMU)的研究人员已经弄清楚了精确的力学原理,并开发了一个数学模型来捕获参与细胞运动的力。这项发现发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,为发育生物学和潜在的癌症治疗提供了新的见解。

细胞移动是一个基本过程,尤其是在发育过程中,当细胞分化为目标细胞类型然后移至正确的组织时,这一过程尤为关键。细胞还可以移动以修复伤口,而癌细胞则爬到最近的血管,扩散到身体的其他部位。

MDC数学细胞生理学实验室负责人,共同领导该研究的马丁·法尔克教授说:“研究人员现在可以使用我们开发的数学模型来预测不同细胞在各种基质上的行为。” “准确地理解这些基本运动可以为中断肿瘤转移提供新的靶标。”

联手确定

这一发现归功于LMU的实验物理学家和MDC的理论物理学家。由约阿希姆·拉德勒(JoachimRädler)教授领导的实验学家追踪了超过15,000个癌细胞在粘性表面上狭窄狭窄通道中移动的速度,粘性在低和高之间交替变化。这使他们能够观察到细胞在黏性水平之间转变时会发生什么,这更能代表体内的动态环境。

然后是法尔克(Falcke)和Behnam Amiri(共同第一篇论文作者兼博士学位)。Falcke实验室的一名学生使用大型数据集建立了一个数学方程式,该方程式捕获了影响细胞运动性的元素。

阿米里说:“以前试图解释细胞迁移和运动性的数学模型非常具体,它们仅适用于一种特征或细胞类型。” “我们在这里试图做的是使它尽可能简单和通用。”

该方法的效果甚至超出了预期:该模型与LMU收集的数据相匹配,并适用于过去30年中对其他几种细胞类型的测量。“这令人兴奋,”法尔克说。“很少能找到一种理论来解释如此广泛的实验结果。”

摩擦是关键

当细胞移动时,它将细胞膜沿行进方向推出,使肌动蛋白丝的内部网络随其扩张而扩张,然后从其后端剥离。发生的速度取决于细胞与细胞下表面之间形成的粘附力。如果没有键,则细胞几乎不会移动,因为肌动蛋白网络没有任何可抵抗的东西。原因是摩擦:“当您穿着溜冰鞋时,您不能推汽车,只有在鞋子和地面之间有足够的摩擦时,您才能推汽车”,法尔克说。

随着键数量的增加,产生更大的摩擦力,电池可以产生更大的力并移动得更快,直到它变得如此粘稠时,才很难拉开后端,从而再次降低电池的速度。

研究人员调查了当细胞的前端和后端经历不同程度的粘性时会发生什么。他们特别想知道当电池的后端比前端更粘时会发生什么,因为那是电池可能被卡住而无法产生足够的力将后端拉出的时候。

如果粘附力更像螺丝,将电池固定在基板上,情况可能就是这样。最初,Falcke和Amiri在他们的模型中包括了这种“弹性”力,但该方程式仅在摩擦力下起作用。

Falcke说:“对我来说,最具挑战性的部分是只依靠摩擦力来使我专注于这种机制,因为电池没有任何东西可以牢牢地卡在上面。但是,正是这种类似摩擦的力才能使电池保持运动,即使背面的粘合力比正面的粘合力强,它也会像透明胶带一样慢慢剥离。Falcke说:“即使用很小的力拉一下磁带,也仍然可以非常缓慢地将其剥离,但是脱落了。” “这就是细胞防止卡住的方式。”

该团队现在正在研究细胞如何在两个维度上移动,包括它们如何左右左右转弯以及掉头。

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